Stiamo esagerando con la riduzione del peso?

"Alleggerimento": la parola d'ordine nella progettazione meccanica. In parole povere, si tratta di una tecnica applicata adottando vari strumenti CAD/CAE - come l'analisi agli elementi finiti (FEA) - per modellare e simulare un progetto, quindi rimuovere selettivamente del materiale o ridurne lo spessore, rieseguire la simulazione e verificare se il progetto sia ancora valido. Ridurre al minimo il materiale significa ridurre le dimensioni e il peso di un prodotto, per semplificarne la produzione (si spera) e ridurre anche i costi delle materie prime.

Detto in termini più semplici: riduciamo tutto al minimo essenziale senza inficiare la validità del prodotto. In linea di principio, l'idea è ottima. Dopotutto, la riduzione del peso e dei costi è una priorità in quasi tutti i progetti.

Ai "vecchi tempi" prima che fossero disponibili questi potenti strumenti di simulazione e modellazione, come margine di sicurezza i progettisti avrebbero lasciato o addirittura aggiunto una piccola eccedenza, "perché non si sa mai". Per decidere dove poteva essere utile, usavano una combinazione di analisi, buon senso ed esperienza. Oggigiorno, tuttavia, si tende sempre più a ridurre al minimo tale margine, perché beneficiamo di strumenti che dicono che tutto andrà bene.

Ma andrà bene davvero? Ogni ingegnere sa che qualsiasi simulazione è valida solo se anche il modello lo è, e ogni modello parte da presupposti e presenta semplificazioni. Questo tema è stato chiarito in modo esemplare in un recente articolo di Tony Abbey, esperto e docente di FEA "FEA Demos and Benchmarks" pubblicato su Digital Engineering.

Tony Abbey propone esempi specifici in cui alcune disposizioni standard ampiamente utilizzate in molte configurazioni FEA semplificano "piccole cose" per facilitarne la costruzione e l'analisi. Tuttavia questa operazione avrà un impatto importante sulla validità dell'analisi.

Certo, non è solo la progettazione meccanica a essere soggetta a questa debolezza: i progetti elettronici hanno gli stessi problemi, solo meno marcati di quelli di un giunto, una staffa o un longherone che hanno ceduto. Anche se il modello include abbastanza fedelmente elementi parassiti, come possono essere valutati? Questi valori cambiano nel tempo e a seconda della temperatura? Qual è il loro scostamento dal valore nominale indotto da materiali normali e variazioni di produzione? Anche nel caso in cui la simulazione Monte Carlo di un progetto sia ben concepita, è quasi impossibile eseguirla per tutte le possibili variazioni.

Figura 1: L'inevitabile dissipazione di un resistore porterà a un aumento della sua temperatura, per cui la sua resistenza effettiva si discosterà dal valore nominale. Il grafico mostra il rapido aumento della temperatura man mano che la dissipazione del resistore si avvicina al suo livello di potenza nominale. (Immagine per gentile concessione di TT Electronics)

La validità del modello non è legata solo alle RF; dipende anche dalla corrente continua. Prendiamo il diffusissimo resistore di rilevamento della corrente, la cui resistenza è solitamente dell'ordine dei milliohm. In linea di massima lo si può realizzare utilizzando un piccolo pezzo di filo di rame. Anche se questa soluzione all'inizio funzionerà, l'autoriscaldamento e il cambiamento nella resistenza del rame ne pregiudicheranno presto il funzionamento corretto. Il rame base ha un coefficiente termico della resistenza (TCR) di circa 4000 ppm/°C, per cui un resistore da 1 mΩ con un modesto aumento di 50 °C raggiungerà presto 1,2 mΩ, ovvero subirà una variazione del 20% (Figura 1).

Nella migliore delle ipotesi, un progetto che viene validato semplicemente guardando alle sue prestazioni elettroniche senza tener conto degli effetti termici, sarà poco significativo. Anche se esistono strumenti di simulazione multifisica (MP) come Comsol che consentono il collegamento e la modellazione incrociata delle analisi elettroniche, magnetiche, termiche e meccaniche, non si può prescindere da una profonda comprensione di queste correlazioni.

Questo è il motivo per cui fornitori di componenti specializzati come Vishay Dale offrono resistori particolari a basso TCR basati su materiali e processi complessi. Ad esempio, i resistori Power Metal Strip serie WSBS8518 hanno un TCR tra ±110 e ±200 ppm/°C (a seconda del valore della resistenza nominale), mentre la serie WSLP è ancora migliore, con un TCR di soli ±75 ppm/°C. Esistono anche resistori altamente specializzati con TCR a una cifra offerti da altri fornitori e destinati ad applicazioni di metrologia di fascia alta.

Un po' di umiltà al progettista non potrà che giovare. A meno che non siate assolutamente certi che la vostra modellazione è buona quanto basta, aggiungete un piccolo margine al vostro progetto. Se il calcolo della dissipazione dice che serve un resistore da 0,22 W, sarebbe il caso di puntare a un'unità da 0,5 W invece che da 0,25 W. Agli albori della modellazione, i progettisti erano consapevoli di non saper tutto, per cui di prassi aggiungevano dei margini sostanziali per garantire le prestazioni e la sicurezza, a scapito dell'alleggerimento estremo.

I potenti strumenti e modelli di oggi possono ingannare un progettista, portandolo a pensare e ad agire come se sapesse molto più di quanto realmente sa. Realisticamente, valutare il proprio livello di fiducia nel modello e nella simulazione e tenendone quindi conto nel progetto e nella distinta base, può essere una decisione molto saggia.